DE102016206337B4

DE102016206337B4 - Verfahren zum Betrieb eines elektromotorischen Nebenaggregats und elektromotorischer Kältemittelverdichter eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102016206337B4
Application number: DE102016206337.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Schröder; Heinz-Georg Burghoff
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2036-04-16
Also published as: DE102016206337A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (62) zum Betrieb eines einen Beschleunigungssensor (60) aufweisenden elektromotorischen Nebenaggregats (8) eines Kraftfahrzeugs (2), insbesondere eines Kältemittelverdichters. Mittels des Beschleunigungssensors (60) wird eine Schwingung (68) des Nebenaggregats (8), mit einer Frequenz (f) und einer Amplitude (A) erfasst und die Frequenz (f) mit einer Grenzfrequenz (70) verglichen. Die Amplitude (A) wird mit einer Grenzamplitude (72, 80) verglichen, und, wenn die Amplitude (A) größer als die Grenzamplitude (72, 80) ist, wird abhängig vom dem Vergleich mit der Grenzfrequenz (70) eine Bestromung des Elektromotors (22) angepasst. Die Erfindung betrifft ferner ein elektromotorisches Nebenaggregat (8) eines Kraftfahrzeugs (2) mit einem Beschleunigungssensor (60).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines einen Beschleunigungssensor aufweisenden elektromotorischen Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs sowie ein elektromotorisches Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs, nämlich einen elektromotorischen Kältemittelverdichter.
Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise eine Klimaanlage auf, mittels derer eine Temperierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs erfolgt. Auch werden bei mittels eines Elektromotors angetriebenen Kraftfahrzeugen die benötigten Energiespeicher, wie eine Hochvoltbatterie, gekühlt. Die Klimaanlage weist einen Kältemittelkreislauf auf, der einen Kältemittelverdichter, diesem nachgeschaltet einen Kondensator sowie diesem fluidtechnisch nachgeschaltet einen Verdampfer umfasst. Diesem ist fluidtechnisch ein weiterer Wärmetauscher nachgeschaltet, der in thermischem Kontakt mit einer Gebläseleitung, die in den Innenraum des Kraftfahrzeugs führt, oder mit etwaigen Energiezellen des Hochvoltenergiespeichers ist. Der Kältekreislauf ist mit einem Kältemittel befüllt, wie R134a, R1234yf oder CO2.
Bei Betrieb wird mittels des Kältemittelverdichters ein Druck des Kältemittels erhöht, was zu einer Temperaturerhöhung des Kältemittels führt. Dieses wird zu dem Kondensator geleitet, der in thermischem Kontakt mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ist. Hierbei erfolgt eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels, welches in dem nachgeschalteten Verdampfer wiederum auf den ursprünglichen Druck entspannt wird, weshalb die Temperatur des Kältemittels weiter verringert wird. In dem nachgeschalteten Wärmetauscher wird von dem mit dem Wärmetauscher thermisch kontaktierten Bauteil thermische Energie auf das Kältemittel übertragen, was zu einer Abkühlung des Bauteils und einer Erwärmung des Kältemittels führt. Das erwärmte Kältemittel wird zum Schließen des Kältemittelkreislaufs erneut dem Kältemittelverdichter zugeführt.
Der Kältemittelverdichter wird üblicherweise mittels eines Riemenantriebs von einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs angetrieben und weist einen Verdichterkopf auf, der beispielsweise ein Scrollverdichterkopf ist. Sofern die Klimaanlage ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs ist, das keine Verbrennungskraftmaschine umfasst, weist der Kältemittelverdichter einen Elektromotor auf, mittels dessen der Verdichterkopf angetrieben ist. Hierbei wird die Drehzahl des Antriebs und somit die Kühlleistung der Klimaanlage anhand einer Temperatureinstellung eines Benutzers des Kraftfahrzeugs oder einer realisierten Temperatur der Hochvoltbatterie eingestellt.
Aus US 8 849 613 B2 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kompressorsystems bekannt, welches in Gebäuden Verwendung findet. Es werden Frequenzbereiche bestimmt, bei denen ein Betrieb des Kompressorsystems vermieden werden soll.
In DE 10 2005 037 144 A1 ist eine Wäschebehandlungsmaschine offenbart. Mittels eines Sensors wird eine Schwingungsbewegung eines Innenaggregats erfasst.
DE 10 2007 017 708 A1 zeigt eine Motoranordnung mit einer Motoreinheit, einem Umrichter, der die Motoreinheit versorgt, und mit einer Antriebssteuerungseinheit, welche die Bewegungen der Motoreinheit steuert. Die Motoranordnung weist eine permanent an der Motoranordnung angeordnete Schwingungserfassungseinrichtung auf, welche mechanische Schwingungen der Motoreinheit erfasst und ein erstes Signal ausgibt, welches für diese mechanischen Schwingungen charakteristisch ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines elektromotorischen Nebenaggregats sowie einen besonders geeigneten elektromotorischen Kältemittelverdichter eines Kraftfahrzeugs anzugeben, wobei insbesondere eine Beschädigung des Nebenaggregats/ Kältemittelverdichters vermieden und geeigneterweise ein Benutzereindruck verbessert ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des elektromotorischen Kältemittelverdichters des Kraftfahrzeugs durch die Merkmale des Anspruchs 6 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Das Verfahren dient dem Betrieb eines elektromotorischen Nebenaggregats, das folglich einen Antrieb mit einem Elektromotor umfasst. Das Nebenaggregat des Kraftfahrzeugs dient hierbei nicht dem Vortrieb des Kraftfahrzeugs. Vielmehr wird mittels des Antriebs ein Verstellteil beeinflusst, wie ein Sitz oder ein Lüfterrad. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Nebenaggregat um eine elektromotorische Sitzverstellung oder einen Kühlerlüfter. Beispielsweise ist das Nebenaggregat eine elektromotorische Pumpe, wie eine Wasser- oder Ölpumpe. Besonders bevorzugt jedoch ist das Nebenaggregat ein Kältemittelverdichter, also ein elektrischer Kältemittelverdichter, mittels dessen bei ordnungsgemäßem Betrieb eine Druckerhöhung eines Kältemittels erfolgt, wie beispielsweise eines chemischen Kältemittels, wie R134A oder R1234yf. Alternativ wird als Kältemittel CO2 herangezogen. Der Elektromotor ist beispielsweise bürstenlos ausgestaltet, und insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Vorzugsweise ist der Elektromotor mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert, das insbesondere 12 Volt oder 48 Volt führt. Das elektromotorische Nebenaggregat weist einen Beschleunigungssensor auf, der beispielsweise an einem Gehäuse des Nebenaggregats befestigt ist. Besonders bevorzugt ist der Beschleunigungssensor in einer Elektronik des Antriebs integriert, mittels derer eine Bestromung des Elektromotors erfolgt. Vorzugsweise ist der Beschleunigungssensor ein Bestandteil einer Leiterplatte und geeigneterweise mittels Löten mit einer Leiterbahn der Leiterplatte elektrisch kontaktiert.
Das Verfahren sieht vor, dass mittels des Beschleunigungssensors eine Schwingung des Nebenaggregats, insbesondere der Leiterplatte, sofern diese vorhanden ist, erfasst wird, wobei eine Frequenz und eine Amplitude der Schwingung erfasst werden. Vorzugsweise werden hierfür Messdaten des Beschleunigungssensors erfasst und geeignet ausgewertet, beispielsweise mittels eines Mikroprozessors. Insbesondere erfolgt die Bestimmung der Frequenz und deren Amplitude mittels einer Fourier-Transformation beispielsweise einer Fast-Fourier-Transformation (FFT). Insbesondere wird mittels des Beschleunigungssensors keine Rotationsbewegung des Elektromotors oder eines hiermit angetriebenen Teils erfasst. Vielmehr wird mittels des Beschleunigungssensors eine mechanische Schwingung des Nebenaggregats selbst, insbesondere eines Gehäuses oder einer Leiterplatte erfasst.
In einem sich hieran anschließenden Arbeitsschritt wird die Frequenz mit einer Grenzfrequenz verglichen, die beispielsweise zwischen 50 Hz und 1.000 Hz ist. Geeigneterweise ist die Grenzfrequenz kleiner oder gleich 900 Hz, 800 Hz, 700 Hz, 600 Hz oder 500 Hz. Besonders bevorzugt ist die Grenzfrequenz zwischen 80 Hz und 200 Hz und beispielsweise im Wesentlichen gleich 100 Hz, wobei insbesondere eine Abweichung von bis zu 10 Hz toleriert ist. Besonders bevorzugt jedoch ist die Grenzfrequenz exakt gleich 100 Hz. Alternativ hierzu ist die Grenzfrequenz zwischen 5 Hz und 100 Hz und beispielsweise gleich 10 Hz. Vorzugsweise ist die Grenzfrequenz abhängig von einer minimalen Drehzahl des Elektromotors, mittels derer dieser bei ordnungsgemäßem Betrieb angesteuert wird. Mit anderen Worten ist die Grenzfrequenz abhängig von der minimalen Nenndrehzahl des Elektromotors. Beispielsweise liegt ein Drehzahlban des Elektromotors zwischen 600 U/min und 8000 U/min. Zweckmäßigerweise ist die Grenzfrequenz gleich der niedrigsten Nenndrehzahl, also insbesondere gleich 10 Hz.
In einem weiteren Arbeitsschritt wird die Amplitude der Schwingung mit einer Grenzamplitude verglichen. Mit anderen Worten wird bestimmt, ob die Schwingung in einem signifikanten Ausmaß vorliegt. Die Grenzamplitude ist in Abhängigkeit des Nebenaggregats bestimmt, beispielsweise auf einem Prüfstand oder aufgrund theoretischer Überlegungen. Beispielsweise ist die Grenzamplitude für Schwingungen mit einer Frequenz kleiner als der Grenzfrequenz eine andere als die Grenzamplitude für Schwingungen mit einer Frequenz größer als der Grenzfrequenz. Alternativ hierzu ist die Grenzamplitude für sämtliche Frequenzen konstant oder abhängig von der jeweiligen Frequenz. In einem sich hieran anschließenden Arbeitsschritt wird eine Bestromung des Elektromotors angepasst, sofern die Amplitude größer als die Grenzamplitude ist. Die Anpassung ist hierbei abhängig von dem Vergleich mit der Grenzfrequenz, also davon abhängig, ob die Frequenz größer oder kleiner als die Grenzfrequenz ist. Mit anderen Worten unterscheidet sich die Anpassung der Bestromung, wenn eine Schwingung mit einer Frequenz kleiner als der Grenzfrequenz vorliegt, zu einer Bestromung, wenn eine Schwingung mit einer Frequenz größer als der Grenzfrequenz vorliegt.
Aufgrund des Verfahrens ist eine Unterscheidung ermöglicht, aufgrund welcher Umstände die Schwingung hervorgerufen ist. Wegen der in Abhängigkeit des Vergleichs mit der Grenzfrequenz erfolgenden Anpassung der Bestromung ist es hierbei ermöglicht, gezielt die die jeweilige Schwingung hervorrufenden Umstände zu berücksichtigen, was zu einem verbesserten Betrieb des Nebenaggregats führt. Somit wird sowohl eine Beschädigung des Nebenaggregats aufgrund einer übermäßigen Anregung vermieden als auch ein Benutzereindruck wegen reduzierter Geräusche verbessert.
Beispielsweise wird eine Anzahl an derartigen Schwingungen erfasst, und diese mittels eines Mikroprozessors ausgewertet, beispielsweise mittels einer Fourier-Transformation. Mit anderen Worten wird ein Frequenzspektrum erstellt. Hierbei wird das Frequenzspektrum in Abhängigkeit der Grenzfrequenz in zwei separate Frequenzspektren unterteilt und in dem jeweiligen Frequenzspektrum auftretenden Schwingungen mit der jeweiligen Grenzamplitude verglichen. Falls sowohl eine Schwingung mit einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz, jedoch mit einer Amplitude größer als der Grenzamplitude sowie eine Schwingung mit einer Frequenz größer als der Grenzfrequenz und einer Amplitude größer als der Grenzamplitude erfasst wird, erfolgt vorzugsweise eine kombinierte Anpassung der Bestromung, oder es wird lediglich eine der beiden möglichen Anpassungen herangezogen, beispielsweise diejenige, die bei der Schwingung mit der Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz zur Anpassung des Stroms herangezogen wird.
Vorzugsweise wird die Leistung des Elektromotors für einen ersten Zeitraum verringert, falls die Frequenz kleiner als die Grenzfrequenz ist. Mit anderen Worten wird, falls die Schwingung mit einer Frequenz kleiner als der Grenzfrequenz, und mit einer Amplitude größer als der Grenzamplitude erfasst ist, die Leistung des Elektromotors für den ersten Zeitraum verringert. Beispielsweise erfolgt die Verringerung der Leistung mittels einer Verringerung der Drehzahl des Elektromotors und/oder einer Verringerung der Stromstärke und/oder einer Verringerung des mittels des Elektromotors aufgebrachten Drehmoments. Zweckmäßigerweise wird die Leistung im Vergleich zu einer Maximalleistung oder zu der Leistung verringert, mit der der Elektromotor vor Auftritt dieser Schwingung betrieben wurde. Beispielsweise wird die Leistung auf 80%, 70%, 50%, 40% oder 30% der maximalen Leistung des Elektromotors herabgesetzt. In einer Alternative hierzu wird der Elektromotor für die erste Zeitspanne stillgesetzt und folglich die Leistung auf null verringert.
Der erste Zeitraum entspricht beispielsweise 1 Sekunde, 5 Sekunden, 10 Sekunden oder 1 Minute. Mit anderen Worten wird die Bestromung des Elektromotors derart angepasst, dass die Leistung für bis zu einer Minute verringert ist. In einer Alternative hierzu entspricht der erste Zeitraum derjenigen Zeitspanne, innerhalb derer die Schwingung mit der Frequenz kleiner als der Grenzfrequenz und der Amplitude größer als der Grenzamplitude erfasst wird. Mit anderen Worten wird die Leistung erneut dann erhöht, falls die Schwingung mit der Frequenz kleiner als der Grenzfrequenz und der Amplitude größer als der Grenzamplitude nicht mehr erfasst wird.
Derartige Schwingungen werden beispielsweise aufgrund einer äußeren Anregung des Nebenaggregats hervorgerufen, wie einem Bewegen des Kraftfahrzeugs entlang eines unebenen Untergrundes. Auch sind bei bestimmten Betriebssituationen des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs Schwingungen mit Frequenz kleiner als der Grenzfrequenz angeregt. Aufgrund der Verringerung der Leistung werden Bauteile des Nebenaggregats geschont, bei denen ansonsten aufgrund der die Schwingung hervorrufenden Vibrationen eine vergleichsweise hohe Reibung oder ein Verhaken auftreten könnte, die zu einer Zerstörung des Nebenaggregats führen würde. Sofern das Nebenaggregat ein Kältemittelverdichter ist, würde ein etwaiger Verdichterkopf vergleichsweise geringe Toleranzen aufweisen, die aufgrund derartiger Vibrationen überschritten werden könnten. Daher könnte ein ungewollter Kontakt zwischen Bauteilen des Kältemittelverdichters erfolgen, die zu einer etwaigen Undichtigkeit oder einer sonstigen Zerstörung führen könnte. Aufgrund der Leistungsverringerung ist die Belastung zwischen den Bauteilen vergleichsweise gering. Sofern die Leistung gänzlich reduziert ist, ist eine Beschädigung im Wesentlichen ausgeschlossen. Infolgedessen ist eine Lebensdauer des Nebenaggregats erhöht. Auch wird vermieden, dass ein Energiebedarf des Elektromotors erhöht ist, der aufgrund der erhöhten Reibung und des erhöhten Verschleißes auftritt.
Falls die Frequenz größer als die Grenzfrequenz ist, wird besonders bevorzugt die Drehzahl des Elektromotors um einen Drehzahlbetrag verändert. Schwingungen mit derartigen Frequenzen entstehen beispielsweise, falls eine bestimmte Resonanzfrequenz des Nebenaggregats angeregt wird. Aufgrund der Veränderung der Drehzahl des Elektromotors wird somit die Anregung einer derartigen Schwingung unterbunden oder zumindest reduziert, weswegen die Amplitude der Schwingung erneut unter die Grenzamplitude fällt. Hierbei werden die Schwingungen mittels des Beschleunigungssensors direkt erfasst im Vergleich zu beispielsweise einer Bestimmung aufgrund eines theoretischen Modells oder einem Ausmessen eines Vergleichsnebenaggregats auf einem Prüfstand. Folglich werden mittels des Beschleunigungssensors auch etwaige Fertigungstoleranzen berücksichtigt, weswegen bei Betrieb des Nebenaggregats eine Ausbildung von Resonanzschwingungen im Wesentlichen unterbunden ist. Beispielsweise würde, sofern das Nebenaggregat ein Kältemittelverdichter ist, aufgrund einer externen Vorgabe eine Drehzahl von 6000 U/min einer gewünschten Kühlleistung entsprechen. Falls bei dieser Drehzahl die Schwingung mit einer Amplitude größer als der Grenzamplitude und einer Frequenz größer als der Grenzfrequenz erfasst werden würde, würde die Drehzahl um den Drehzahlbetrag verändert werden, sodass die Drehzahl des Elektromotors nicht mehr 6000 U/min entspricht.
Falls der Elektromotor beschleunigt wird, wird dieser vorzugsweise im Bereich des Auftretens einer derartigen Schwingung verstärkt beschleunigt, sodass die Schwingung lediglich für eine vergleichsweise kurze Zeitdauer auftritt. Beispielsweise wird die Drehzahl, bei der eine derartige Schwingung auftritt, in einem Speicher hinterlegt. Falls eine externe Vorgabe zu einer Drehzahl (Soll-Drehzahl) führen würde, bei der eine derartige Schwingung auftreten würde, wird bevorzugt vor Einstellung der Drehzahl des Elektromotors anhand des hinterlegten Werts ermittelt, dass mit einer derartigen Schwingung zu rechnen ist. Infolgedessen wird die Soll-Drehzahl bereits um den Drehzahlbetrag zu einer angepassten Soll-Drehzahl verändert, sodass die Ansteuerung des Elektromotors mit der ursprünglichen Soll-Drehzahl, die zu einer derartigen Schwingung führen würde, vollständig unterbleibt.
Beispielsweise wird die Drehzahl des Elektromotors verringert, sofern eine derartige Schwingung erfasst wurde. Besonders bevorzugt jedoch wird die Drehzahl des Elektromotors erhöht. Infolgedessen ist die Leistung des Elektromotors vergrößert. Somit ist, sofern das Nebenaggregat ein Kältemittelverdichter ist, eine Kühlleistung des Nebenaggregats erhöht, was zwar zu einem erhöhten Energiebedarf, jedoch zu einer ausreichenden Kühlung der mittels des Kältemittelverdichters gekühlten Bauteile des Kraftfahrzeugs führt, weswegen ein sicherer Betrieb des Kraftfahrzeugs auch über einen längeren Zeitraum ermöglicht ist. Sofern die Kühlleistung einen bestimmten Betrag überschreitet, also das entsprechende Bauteil zu stark abgekühlt wird, wird beispielsweise das Nebenaggregat für eine bestimmte Zeitdauer abgeschaltet oder die Drehzahl um einen bestimmten Betrag, beispielsweise um den doppelten Drehzahlbetrag abgesenkt.
Insbesondere ist der Drehzahlbetrag zwischen 300 U/min und 10 U/min, und insbesondere im Wesentlichen gleich 50 U/min, wobei beispielsweise eine Abweichung hiervon von bis zu 5 U/min, 2 U/min oder 1 U/min eingeschlossen ist. Folglich ist der Drehzahlbetrag im Vergleich zur Drehzahl vergleichsweise klein, sodass eine Leistungsänderung des Nebenaggregats aufgrund der Drehzahländerung ebenfalls vergleichsweise klein ist. Eine derartige Änderung der Drehzahl des Elektromotors führt jedoch zu einer Verminderung einer Resonanzschwingung, weswegen der akustische Eindruck des Nebenaggregats verbessert ist. Auch ist aufgrund der verringerten Anregung eine Materialbelastung verringert. Alternativ oder in Kombination hierzu wird der Drehzahlbetrag derart gewählt, dass die resultierende Schwingung eine Amplitude aufweist, die kleiner als die Grenzamplitude ist. Mit anderen Worten würde bei einem erneuten Vergleich der Amplitude mit der Grenzamplitude die Bestromung des Elektromotors in anderer Weise angepasst werden, beispielsweise gar nicht.
Das elektromotorische Nebenaggregat ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und umfasst einen elektromotorischen Antrieb. Das Nebenaggregat ist ein elektrischer Kältemittelverdichter, mittels dessen bei Betrieb ein Kältemittel komprimiert wird. Das Kältemittel ist beispielsweise ein chemisches Kältemittel, wie R134a oder R1234yf. Alternativ ist das Kältemittel CO2. Vorzugsweise ist der Kältemittelverdichter derart ausgelegt, dass mittels dessen das jeweilige Kältemittel komprimiert werden kann, wobei beispielsweise eine Druckerhöhung zwischen 5bar und 20bar erfolgt. Der Kältemittelverdichter ist insbesondere ein Bestandteil eines Kältekreislaufs, der beispielsweise der Klimatisierung eines Innenraums oder der Abkühlung eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs dient, wie einer Hochvoltbatterie.
Das elektromotorische Nebenaggregat weist einen Beschleunigungssensor auf, der vorzugsweise geeignet und insbesondere vorgesehen und eingerichtet ist, eine Schwingung/Vibration des elektromotorischen Nebenaggregats, wie z.B. dessen Gehäuse zu erfassen. Das elektromotorische Nebenaggregat ist derart betrieben, dass mittels des Beschleunigungssensors eine Schwingung des Nebenaggregats, mit einer Frequenz und einer Amplitude erfasst wird, sowie dass die Frequenz mit einer Grenzfrequenz verglichen wird, als auch dass die Amplitude mit einer Grenzamplitude verglichen wird, und dass, wenn die Amplitude größer als die Grenzamplitude ist, abhängig von dem Vergleich mit der Grenzfrequenz eine Bestromung des Elektromotors angepasst wird. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das elektromotorische Nebenaggregat und umgekehrt zu übertragen.
Vorzugsweise wird als Beschleunigungssensor ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor herangezogen, weswegen eine Ausbreitung von Schwingungen des Nebenaggregats unabhängig von der jeweiligen Raumrichtung erfasst werden kann, sodass eine Diagnosequalität verbessert ist. Alternativ hierzu wird ein 2-Achsen- Beschleunigungssensor als Beschleunigungsensor verwendet, was eine Auswertung vereinfacht und Herstellungskosten reduziert. Mit anderen Worten können mittels des Beschleunigungssensors lediglich Schwingungen in zwei Dimensionen erfasst werden. Beispielsweise wird mittels des Beschleunigungssensors hierbei eine Schwingung in einer axialen Ebene erfasst, also eine Schwingung, die parallel zur Drehachse des Elektromotors auftritt. Besonders bevorzugt jedoch erfolgt mittels des Beschleunigungssensors eine Erfassung von Schwingungen, die senkrecht zur Drehachse des Elektromotors auftreten, also die in einer X/Y-Ebene auftreten, wobei die Z-Achse mittels der Drehachse des Elektromotors definiert ist. Infolgedessen ist es ermöglicht, Schwingungen des Rotors bezüglich des Stators des Elektromotors zu erfassen, die aufgrund einer elektromagnetischen Anregung und/oder Verformung einzelner Bauteile des Elektromotors erfolgen, insbesondere sofern der Elektromotor ein Innenläufer ist, dessen Magnetfelder im Wesentlichen radial gerichtet sind.
Beispielsweise ist der Beschleunigungssensor an einem Gehäuse des Nebenaggregats angebunden. Besonders bevorzugt jedoch ist der Beschleunigungssensor ein Bestandteil einer Leiterplatte des Nebenaggregats. Auf diese Weise ist eine Ansteuerung und Energieversorgung des Beschleunigungssensors und zudem eine Montage vereinfacht, was Herstellungskosten reduziert. Insbesondere ist der Beschleunigungssensor ein oberflächenmontiertes Bauelement (SMD-Element) was die Fertigung weiter vereinfacht.
Vorzugsweise weist die Leiterplatte einen Leistungshalbleiter auf, der insbesondere Leistungshalbleiterschalter ist, wie ein Feldeffekttransistoren (FET), wobei mittels des Leistungshalbleiterschalters ein elektrischer Strom von bis zu 5A, 10A oder 50A geschaltet werden kann, und/oder wobei an dem Leistungshalbleiterschalter eine elektrische Spannung von 12V oder 48V anliegt. Geeigneterweise erfolgt mittels des Leistungshalbleiterschalters eine Bestromung des Elektromotors. Zweckmäßigerweise ist der Leistungshalbleiterschalter mit einer Spulenwicklung des Stators des Elektromotors elektrisch kontaktiert. Insbesondere weist die Leiterplatte eine Anzahl derartiger Leistungshalbleiterschalter auf, die vorzugsweise miteinander in einer Brückenschaltung elektrisch kontaktiert sind, zweckmäßigerweise in einer B6-Schaltung. Vorzugsweise sind jeder der Phasen des Elektromotors mindestens zwei derartige Leistungshalbleiterschalter zugeordnet.
Alternativ oder in Kombination hierzu weist die Leiterplatte eine Treiberschaltung für den Leistungshalbleiter auf. Mittels der Treiberschaltung wird hierbei ein Schaltzustand des Leistungshalbleiterschalters eingestellt, also ob dieser elektrisch leitend oder elektrisch nicht leitend ist. Vorzugsweise erfolgt mittels der Treiberschaltung eine PWM-Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters. Besonders bevorzugt sind die Treiberschaltung und der Beschleunigungssensor jeweils ein Bestandteil der Leiterplatte, und der Leistungshalbleiterschalter, insbesondere die Anzahl an Leistungshalbleiterschaltern, sind Bestandteil einer weiteren Leiterplatte. Hierbei führt die weitere Leiterplatte mit den Leistungshalbleiterschaltern einen vergleichsweise großen elektrischen Strom und/oder eine vergleichsweise große elektrische Spannung, die jeweils im Vergleich zu der Leiterplatte, die die Treiberschaltung sowie den Beschleunigungssensor aufweist, erhöht sind. Insbesondere sind die beiden Leiterplatten zueinander beabstandet. Infolgedessen ist eine Beeinflussung des Beschleunigungssensors mittels der Leistungshalbleiterschalter im Wesentlichen ausgeschlossen. Auch kann auf diese Weise eine galvanische Trennung des Beschleunigungssensors von den Leistungshalbleiterschaltern realisiert werden. Insbesondere ist der Beschleunigungssensor galvanisch von dem Leistungshalbleiterschalter getrennt.
Vorzugsweise ist die Leiterplatte von dem Elektromotor beabstandet, was einerseits einen Wärmeeintrag verringert und andererseits eine Beeinflussung aufgrund der mittels der elektrischen Spule des Stators erstellten magnetischen Felder verringert. Vorzugsweise ist die Leiterplatte innerhalb eines Elektronikgehäuses angeordnet, welches beispielsweise aus einem Aluminium, also reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist. Beispielsweise ist das Elektronikgehäuse ein Bestandteil eines Gehäuses des Nebenaggregats und/oder ein Druckgussteil. Alternativ oder in Kombination hierzu ist die Leiterplatte schwimmend gelagert. Insbesondere ist die Leiterplatte nicht starr an dem Elektronikgehäuse befestigt, sondern mittels elastischer Elemente an diesem gehalten. Auf diese Weise ist ein Eintrag von mechanischer Spannung auf die Leiterplatte verringert, die beispielsweise aufgrund einer Erwärmung des Elektronikgehäuses und der Leiterplatte entstehen könnte, sofern diese nicht den gleichen Wärmekoeffizienten aufweisen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter,
2 in einer Schnittdarstellung schematisch vereinfacht den Kältemittelverdichter,
3 perspektivisch eine erste und eine zweite Leiterplatte einer Elektronik des Kältemittelverdichters, mit einem Beschleunigungssensor
4 ein Verfahren zum Betrieb des Kältemittelverdichters, und
5 und 6 jeweils ein Frequenzspektrum von mittels des Beschleunigungssensors erfassten Schwingungen.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 mit zwei Vorderrädern 4 und zwei Hinterrädern 6 dargestellt. Zumindest zwei der Räder 4, 6 sind mittels eines nicht näher gezeigten Hauptantriebs angetrieben, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine, einem Elektromotor oder einer Kombination hieraus. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst ein Nebenaggregat 8 in Form eines elektromotorischen Kältemittelverdichters (KMV), der ein Bestandteil einer Klimaanlage ist. Mittels des Kältemittelverdichters wird ein Kältemittel, beispielsweise CO2, R1234yf oder R134a, verdichtet und einem fluidtechnisch nachgeschalteten Kondensator zugeführt. Der Kältemittelverdichter ist mittels eines Bus-Systems 10, das ein CAN-Bus-System ist, signaltechnisch mit einer Kraftfahrzeugsteuerung 12 gekoppelt, wie einem Bordcomputer.
Der Kältemittelverdichter wird mittels eines Bordnetzes 14 bestromt, welches 48V führt und mittels einer Batterie 16 gespeist ist. Das Bordnetz 14 umfasst ferner eine Sicherungseinrichtung 18, mittels derer ein elektrischer Stromfluss zwischen der Batterie 16 und dem Kältemittelverdichter unterbunden werden kann. Hierfür weist die Sicherungseinrichtung 18 beispielsweise einen Last- und/oder Schutzschalter auf. Die Sicherungseinrichtung 18 ist mittels des Bus-Systems 10 oder anderweitig signaltechnisch mit der Kraftfahrzeugsteuerung 12 verbunden, sodass mittels der Kraftfahrzeugsteuerung 12 der Last- bzw. Schutzschalter betätigt und somit der elektrische Stromfluss unterbunden werden kann.
2 zeigt das Nebenaggregat 8, nämlich den elektromotorischen Kältemittelverdichter, in einer Schnittdarstellung entlang einer Drehachse 20 eines Elektromotors 22 des Kältemittelverdichters. Der Elektromotor 22 weist einen zylindrischen Rotor 24 auf, der umfangsseitig mittels eines Stators 26 umgeben ist. Der Rotor 24 umfasst eine Anzahl an Permanentmagneten und ist mittels einer Welle 28 drehbar um die Drehachse 20 gelagert. An der Welle 28 ist freiendseitig ein Verdichterkopf 30 drehfest angebunden, beispielsweise ein Scrollverdichter. Der Stator 26 wird mittels einer Elektronik 32 bestromt, die mit dem Bus-Systems 10 und dem Bordnetz 14 verbunden ist.
Der Elektromotor 22, der Verdichterkopf 30 und die Elektronik 32 sind in einem Gehäuse 34 aus einem Aluminiumdruckguss angeordnet, das eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist und konzentrisch zur Drehachse 20 ist. Das Gehäuse 34 umfasst einen Zulauf 36 über den das Kältemittel in das Gehäuse 34 eintritt und entlang des Elektromotors 22 zu dem Verdichterkopf 30 gesaugt wird, mittels dessen eine Druckerhöhung erfolgt. Das mittels des Verdichterkopfs 30 komprimierte Kältemittel wird mittels eines Ablaufs 38 aus dem Gehäuse 34 befördert.
Das Gehäuse 34 umfasst eine Trennwand 40, mittels dessen ein Elektronikgehäuse 42 von dem von dem Kältemittel durchströmten Teil des Gehäuses 34 abgetrennt ist. Innerhalb des Elektronikgehäuses 42 ist die Elektronik 32 angeordnet. Die Trennwand 40 weist eine Durchkontaktierung 44 auf, die druck- und lichtdicht ist, und über die die Bestromung des Stators 26 erfolgt. Auf der der Trennwand 40 in axialer Richtung, also parallel zur Drehachse 20, gegenüberliegenden Seite umfasst das Elektronikgehäuse 42 einen aus einem Metall gefertigten Gehäusedeckel 46, der mittels Schrauben an weiteren Bestandteilen des Elektronikgehäuses 42 lösbar befestigt ist, und welcher eine Öffnung des Elektronikgehäuses 42 verschließt.
In 3 ist die Elektronik 32 perspektivisch vereinfacht dargestellt, die eine Leiterplatte 48 sowie eine hierzu beabstandete weitere Leiterplatte 50 aufweist, die parallel zur Leiterplatte 48 und zur Trennwand 40 ausgerichtet ist. Die weitere Leiterplatte 50 weist eine Anzahl an Leistungshalbleitern auf, von denen lediglich ein einziger dargestellt ist. Die Leistungshalbleiter sind Leistungshalbleiterschalter 52 und als Feldeffekttransistoren (FET) ausgeführt, wobei mittels der Leistungshalbleiterschalter 52 ein elektrischer Strom von bis zu 5A, 10A oder 50A geschaltet werden kann. Die Leistungshalbleiterschalter 52 sind in einer Brückenschaltung miteinander elektrisch verschalten sowie mittels der Durchkontaktierungen 44 mit dem Stator 26 sowie dem Bordnetz 14 elektrisch kontaktiert. Die Leiterplatte 48 weist eine Treiberschaltung 54 für die Leistungshalbleiterschalter 52 auf, die zumindest teilweise innerhalb eines Mikroprozessors 56 integriert ist. Der Mikroprozessor 56 ist ferner mittels einer Bus-Schnittstelle 58 mit dem Bus-System 10 signaltechnisch gekoppelt, sodass anhand einer Vorgabe der Kraftfahrzeugsteuerung 12 die Beaufschlagung der Leistungshalbleiterschalter 52 und folglich die Bestromung des Stators 26 erfolgt.
Die Leiterplatte 48 weist ferner einen Beschleunigungssensor 60 auf, der entweder als 2-Achsen- oder 3-Achsen-Beschleunigungssensor 60 ausgeführt ist. Sofern mittels des Beschleunigungssensors 60 lediglich in zwei Dimensionen die Beschleunigung erfasst werden kann (2 Achsen), sind die erfassbaren Beschleunigungen in der Ebene der Leiterplatte 48 und folglich senkrecht zur Drehachse 20. Falls der Beschleunigungssensor ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor ist, wird ferner eine Beschleunigung erfasst, die parallel zur Drehachse 20 verläuft. Die Leiterplatten 48 und 50 sind innerhalb des Elektronikgehäuses 42 schwimmend gelagert, weswegen auf die Leiterplatte 48 keine mechanische Spannung bei einer Erwärmung der Trennwand 40 ausgeübt wird.
In 4 ist ein Verfahren 62 zum Betrieb des Nebenaggregats 8 dargestellt. In einem ersten Arbeitsschritt 64 wird mittels des Beschleunigungssensors 60 ein Frequenzspektrum 66 mit einer Vielzahl an Schwingungen 68 erfasst, wobei in den 5 und 6 zwei Frequenzspektren 66 beispielhaft dargestellt sind. Es wird die Frequenz f der jeweiligen Schwingung 68 mit einer Grenzfrequenz 70 verglichen, die 100 Hz beträgt. Sofern die Frequenz f der Schwingung 68 kleiner als die Grenzfrequenz 70 ist, wie in 5 dargestellt, wird ein zweiter Arbeitsschritt 71 ausgeführt, bei dem die Amplitude A der Schwingung 68 mit einer ersten Grenzamplitude 72 verglichen wird. Falls die Amplitude A größer als die erste Grenzamplitude 72 ist, wird ein dritter Arbeitsschritt 74 ausgeführt, bei dem die Leistung des Elektromotors 22 für einen ersten Zeitraum 76 verringert wird. Der erste Zeitraum 76 beträgt beispielsweise 10 Sekunden oder solange, solange die Schwingung 68 mit der Amplitude A größer als der ersten Grenzamplitude 72 besteht. Eine derartige Schwingung 68 wird aufgrund einer äußeren Erschütterung des Kraftfahrzeugs 2 hervorgerufen, weswegen aufgrund der verringerten Leistung eine Beschädigung des Elektromotors 22 und/oder des Verdichterkopfs 30 im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann. Zweckmäßigerweise wird hierbei die Leistung des Elektromotors 22 auf null verringert.
Sofern die Frequenz f der Schwingung 68 größer als die Grenzfrequenz 70 ist, wird in einem sich an den ersten Arbeitsschritt 64 anschließenden vierten Arbeitsschritt 78 die Amplitude A der Schwingung 68 mit einer zweiten Grenzamplitude 80 verglichen, die beispielsweise größer als die erste Grenzamplitude 72 ist, wie in 6 gezeigt. In einer Alternative hierzu sind die beiden Grenzamplituden 72,80 gleich. Falls die Amplitude A größer als die zweite Grenzamplitude 80 ist, wird in einem sich anschließenden fünften Arbeitsschritt 82 eine Drehzahl n des Elektromotors 22 um einen Drehzahlbetrag 84 erhöht oder erniedrigt, der insbesondere 50 U/min beträgt. Mit anderen Worten wird der Elektromotor 22 um 50 U/min beschleunigt. Infolgedessen wird die Amplitude A der Schwingung 68 verringert, sofern diese aufgrund einer Resonanz des Nebenaggregats 8 hervorgerufen wird. Alternativ oder in Kombination hierzu korrespondiert zu dem Drehzahlbetrag 84 ein bestimmter Bruchteil der Frequenz herangezogen, bei der die Überschreitung der Grenzamplitude auftritt, z.B. 20% der Frequenz. Zusammenfassend wird der Elektromotor 22 in diesem Fall um 20 % beschleunigt oder gebremst. Zusammenfassend wird, wenn die Amplitude A der Schwingung 68 größer als die jeweilige Grenzamplitude 72,80 ist, abhängig von dem Vergleich mit der Grenzfrequenz 70 die Bestromung des Elektromotors 22 angepasst.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Kraftfahrzeug
4: Vorderrad
6: Hinterrad
8: Nebenaggregat, Kältemittelverdichter
10: Bus-System
12: Kraftfahrzeugsteuerung
14: Bordnetz
16: Batterie
18: Sicherungseinrichtung
20: Drehachse
22: Elektromotor
24: Rotor
26: Stator
28: Welle
30: Verdichterkopf
32: Elektronik
34: Gehäuse
36: Zulauf
38: Ablauf
40: Trennwand
42: Elektronikgehäuse
44: Durchkontaktierung
46: Gehäusedeckel
48: Leiterplatte
50: weitere Leiterplatte
52: Leistungshalbleiterschalter
54: Treiberschaltung
56: Mikroprozessor
58: Bus-Schnittstelle
60: Beschleunigungssensor
62: Verfahren
64: erster Arbeitsschritt
66: Frequenzspektrum
68: Schwingung
70: Grenzfrequenz
71: zweiter Arbeitsschritt
72: erste Grenzamplitude
74: dritter Arbeitsschritt
76: erster Zeitraum
78: vierter Arbeitsschritt
80: zweite Grenzamplitude
82: fünfter Arbeitsschritt
84: Drehzahlbetrag
f: Frequenz
A: Amplitude
n: Drehzahl

Claims

Verfahren (62) zum Betrieb eines einen Beschleunigungssensor (60) aufweisenden elektromotorischen Nebenaggregats (8) eines Kraftfahrzeugs (2), insbesondere eines Kältemittelverdichters, - bei dem mittels des Beschleunigungssensors (60) eine Schwingung (68) des Nebenaggregats (8), mit einer Frequenz (f) und einer Amplitude (A) erfasst wird, - die Frequenz (f) mit einer Grenzfrequenz (70) verglichen wird, - die Amplitude (A) mit einer Grenzamplitude (72, 80) verglichen wird, und - wenn die Amplitude (A) größer als die Grenzamplitude (72, 80) ist, abhängig von dem Vergleich mit der Grenzfrequenz (70) eine Bestromung eines Elektromotors (22) angepasst wird.
Verfahren (62) nach Anspruch 1, bei dem die Leistung des Elektromotors (22) für einen ersten Zeitraum (76) verringert wird, wenn die Frequenz (f) kleiner als die Grenzfrequenz (70) ist.
Verfahren (62) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Drehzahl (n) des Elektromotors (22) um einen Drehzahlbetrag (84) verändert wird, wenn die Frequenz (f) größer als die Grenzfrequenz (70) ist.
Verfahren (62) nach Anspruch 3, bei dem die Drehzahl (n) des Elektromotors (22) erhöht wird.
Verfahren (62) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem ein Drehzahlbetrag (84) zwischen 50 U/min und 300 U/min herangezogen wird und/oder ein Drehzahlbetrag (84), der derart gewählt ist, dass die resultierende Schwingung eine Amplitude aufweist, die kleiner als die Grenzamplitude ist.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (8) eines Kraftfahrzeugs (2), der einen Beschleunigungssensor (60) und einen Elektromotor (22) aufweist, wobei eine Leiterplatte (48), den Beschleunigungssensor (60) umfasst, und der nach einem Verfahren (62) betreibbar ist, - bei dem mittels des Beschleunigungssensors (60) eine Schwingung (68) des Kältemittelverdichters (8), mit einer Frequenz (f) und einer Amplitude (A) erfasst wird, - die Frequenz (f) mit einer Grenzfrequenz (70) verglichen wird, - die Amplitude (A) mit einer Grenzamplitude (72, 80) verglichen wird, und - wenn die Amplitude (A) größer als die Grenzamplitude (72, 80) ist, abhängig von dem Vergleich mit der Grenzfrequenz (70) eine Bestromung des Elektromotors (22) angepasst wird.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (8) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch, einen 2-Achsen oder 3-Achsen Beschleunigungssensor (60).
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (8) nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch, eine Leiterplatte (48), die den Beschleunigungssensor (60) umfasst.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (8) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (48) einen Leistungshalbleiterschalter (52) oder eine Treiberschaltung (54) für einen Leistungshalbleiterschalter (52) umfasst.
Elektromotorischer Kältemittelverdichter (8) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (48) innerhalb eines Elektronikgehäuses (42) angeordnet ist und/oder schwimmend gelagert ist.